DE102008039287A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einem Ansaugtrakt und einem Abgasstrang, wobei ein Verdichter zum Ansaugen und Verdichten von Frischluft im Ansaugtrakt positioniert ist. Erfindungsgemäß ist stromab eines Verdichterrades (30) des Verdichters (20) und stromauf eines Einlasstraktes der Brennkraftmaschine, in einer Ladeluftleitung des Ansaugtraktes eine Staudrucksonde (38) vorgesehen, die zum Erfassen wenigstens des Totaldrucks in der Ladeluftleitung ausgebildet ist. Die Erfindung wird überwiegend im Nutzfahrzeugbau eingesetzt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Die von einer Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse wird zum Beispiel zur Abgasrückführregelung als motorische Messgröße bei Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen benötigt. Bei Pkw-Motoren werden zum Erfassen der angesaugten Luftmasse serienmäßig Heißfilm-Luftmassenmesser, sog. Heißfilmanemometer (HFM) eingesetzt. Aus Gründen der Dauerhaltbarkeit, der Sensordrift und der Schnittstellendefinition zum Fahrzeug hin besteht bei Nutzfahrzeugmotoren im Allgemeinen keine Möglichkeit, einen solchen HFM-Sensor zu integrieren. Außerdem sind derartige HFM-Sensoren üblicherweise pulsationsempfindlich und extrem verschmutzungsanfällig.
- Es besteht daher Bedarf an einer Vorrichtung bzw. Maßnahme zum Erfassen einer von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse, die in vorteilhafter Weise auch bei Nutzfahrzeugen einsetzbar ist.
- In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 10 2006 009 295 A1 zum Beispiel eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, wobei zur Luftmassenmessung eine Staudruckmessvorrichtung mit einer Staudrucksonde eingesetzt ist. Die Staudrucksonde ist stromauf eines Verdichterrades eines Verdichters des Abgasturboladers positioniert, idealerweise in einem Gehäuse des Verdichters. Die Staudruckmessvorrichtung umfasst eine Staudrucksonde zum Erfassen des Totaldrucks in einem Luftansaugkanal des Verdichters sowie eine Messbohrung in der Kanalwandung zum Erfassen des statischen Drucks im Luftansaugkanal, wobei das weitere Drosselglied zwischen der Staudrucksonde und der Messbohrung im Luftansaugkanal positioniert ist. In Abhängigkeit von dem aus dem Totaldruck und dem statischen Druck im Luftansaug kanal bestimmten Differenzdruck wird dann die Kraftstoff-Zumessung des Motors geregelt. - Weiter offenbart die Patentschrift
DE 199 12 317 C2 ein Verfahren zur Regelung eines Anteils einer Brennkraftmaschine zurückgeführten Abgasmenge. Ein Drucksensor in Form eines Heißfilmanemometers ist dabei stromab eines Ladeluftkühlers positioniert. - Des Weiteren geht aus der
DE 10 2005 044 266 A1 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader hervor, welcher eine Abgasrückführung aufweist, derart, dass stromauf einer Turbine des Abgasturboladers, welche in einer Abgasleitung eines Abgasstranges der Brennkraftmaschine positioniert ist, eine Abgasrückführleitung abzweigend angeordnet ist. Die Abgasrückführleitung mündet in eine Ladeluftleitung eines Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine ein, wobei die Einmündung stromab eines in der Ladeluftleitung angeordneten Ladeluftkühlers positioniert ist. Stromab dieser Einmündung ist in der Ladeluftleitung eine Messeinrichtung zur Messung eines von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmassenstromes, insbesondere ein Ultraschallluftmassensensor angeordnet. Da die Messeinrichtung stromab der Einmündung der Abgasrückführleitung in die Ladeluftleitung positioniert ist, ist für die Betriebspunkte mit einer Abgasrückführung keine reine Frischluftmasse messbar bzw. ohne eine entsprechende Ableitung ermittelbar. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, insbesondere eine Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, vorzusehen, mit Hilfe derer eine einfache und zuverlässige Erfassung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse zur genauen Bestimmung einer einzuspritzenden Kraftstoffmasse möglich ist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
- Gemäß der Erfindung weist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader einen Ansaugtrakt und einen Abgasstrang auf, wobei ein Verdichter zum Ansaugen und Verdichten von Frischluft im Ansaugtrakt positioniert ist, und stromab eines Verdichterrades des Verdichters und stromauf eines Einlasstraktes der Brennkraftmaschine in einer Ladeluftleitung des Ansaugtraktes eine Staudrucksonde vorgesehen ist, die zum Erfassen wenigstens des Totaldrucks in der Ladeluftleitung ausgebildet ist.
- Mit Hilfe des durch die Staudrucksonde erfassten Totaldrucks in der Ladeluftleitung stromab des Verdichterrades und stromauf des Einlasstraktes lässt sich auf einfache Weise die vom Verdichter und damit auch von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse bestimmen. Bei der Staudrucksonde handelt es sich um ein staub- und ölunempfindliches Messsystem mit einer langen Lebensdauer und einer äußerst geringen Sensordrift, sodass der oben beschriebene Abgasturbolader der Erfindung in vorteilhafter Weise auch für Nutzfahrzeuge verwendet werden kann und eine einfache und zuverlässige Erfassung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse ermöglicht, mit Hilfe derer die Kraftstoff-Zumessung der Brennkraftmaschine geregelt werden kann. Die Positionierung der Staudrucksonde stromauf des Einlasstraktes führt zu einer Verringerung des Applikationsaufwandes, da sogenannte Füll- und Entleervorgänge des Luftpfades vom Verdichter bis zum Eintritt in die Zylinder vernachlässigt werden können.
- Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Anordnung der Staudrucksonde stromab des Verdichterrades ist in einer Erhöhung der Meßgenauigkeit bei gleich bleibendem Druckverlust gegeben. Übliche Sensoren, Bsp. HFMs, stromauf des Verdichterrades positioniert, sind dazu ausgelegt Massenströme in einem Bereich zwischen 100 kg/h und 1200 kg/h zu messen, wobei ein bleibender Druckverlust von beispielsweise 20 mbar bei 1200 kg/h indiziert wird. Problematisch ist allerdings, dass eine große Differenz zwischen dem Minimal- und Maximalwert, auch Signalspreizung genannt, vorliegt, so dass zwangsläufig eine Ungenauigkeit in einem bestimmten Messbereich entsteht. Im Allgemeinen erfolgt eine präzise Messung im oberen Messbereich, so dass bei einer derartigen Signalspreizung im unteren Messbereich, d. h. im Motorbetrieb im niedrigen Lastbereich, ungenaue Messergebnisse die Folge sind. Ist hingegen der Sensor, insbesondere die Staudrucksonde, stromab des Verdichterrades positioniert, so bewirkt der Dichteeinfluss infolge der Arbeitsweise des Verdichters eine Verringerung des maximalen Volumenstromes von 1200 m3/h auf beispielsweise 400 m3/h. Durch die Verringerung des maximalen Volumenstroms ergibt sich bei gleichen Rohrquerschnitten vor bzw. nach Verdichter ein deutlich geringerer bleibender Druckverlust. Die Verbesserung der Messgenauigkeit vor allem im Bereich kleiner Volumenströme wird durch Verkleinerung der Rohrquerschnittsgeometrie im Bereich der Staudrucksonde unter Berücksichtigung des bleibenden Druckverlustes von maximal 20 mbar erreicht.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Staudrucksonde unmittelbar im Gehäuse des Verdichters angeordnet, sodass eine sehr kompakte Bauform des Abgasturboladers einschließlich des Luftmassensensors erzielt wird.
- In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Staudrucksonde stromab eines zur Kühlung der verdichteten Luft vorgesehenen Ladeluftkühlers angeordnet, welcher stromab des Verdichters in der Ladeluftleitung positioniert ist.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Staudrucksonde stromauf einer in die Ladeluftleitung einmündenden Abgasrückführleitung positioniert. Der Vorteil dieser Positionierung ist darin zu sehen, dass der Luftmassenstrom und nicht der Abgasmassenstrom messbar ist, so dass eine welcher kein unabhängig von einer im Abgas enthaltenen Kraftstoffmenge messbar ist.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Staudrucksonde in einem Bereich nahe dem Einlasstrakt positioniert. Durch diese motornahe Messung der Luftmasse können Leckagen, welche bis zum Eintritt der Luftmasse in den Einlasstrakt auftreten können, durch eine Positionierung der Staudrucksonde möglichst nahe dem Einlasstrakt erfasst werden.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Staudrucksonde zum Erfassen des Totaldrucks und des statischen Drucks im Strömungskanal ausgebildet, wobei eine Steuereinheit aus dem erfassten Totaldruck und dem erfassten statischen Druck den Differenzdruck im Strömungskanal des Verdichters und daraus die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse bestimmt.
- In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Staudrucksonde zum Erfassen des Totaldrucks in der Ladeluftleitung ausgebildet, wobei ferner eine Messöffnung an einer Wandung der Ladeluftleitung zum Erfassen des statischen Drucks in der Ladeluftleitung vorgesehen ist, und eine Steuereinheit aus dem erfassten Totaldruck und dem erfassten statischen Druck den Differenzdruck in der Ladeluftleitung und daraus die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse bestimmt.
- Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
- Dabei zeigen:
-
1 in einer schematischen Ansicht eine erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, -
2 in einem Schnitt einen Verdichter mit einer Staudrucksonde der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Variante und -
3 in einer schematischen Ansicht die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer zweiten Variante. - In
1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine10 dargestellt, die insbesondere für ein Nutzfahrzeug anwendbar ist. Die Brennkraftmaschine10 ist mit einem Abgasturbolader12 ausgestattet, der in einem Abgasstrang14 der Brennkraftmaschine10 eine Abgasturbine16 und in einem Ansaugtrakt18 mit einer Ladeluftleitung einen Verdichter20 umfasst, dessen Verdichterrad von dem Turbinenrad über eine Welle22 angetrieben wird. Im Betrieb der Brennkraftmaschine10 wird das Turbinenrad der Abgasturbine16 von den Abgasen im Abgasstrang14 in Drehung versetzt, sodass im Verdichter20 Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt und auf einen erhöhten Druck komprimiert wird. - Stromab des Verdichters
20 ist im Ansaugtrakt18 ein Ladeluftkühler24 angeordnet, in dem die verdichtete Ladeluft aus dem Verdichter20 gekühlt wird, bevor sie Zylindereinlässen in einem Einlasstrakt23 der Brennkraftmaschine10 zugeführt wird. - Der Brennkraftmaschine
10 ist ferner eine Abgasrückführeinrichtung25 zugeordnet, über die Abgas aus dem Abgasstrang14 stromauf der Abgasturbine16 in den Ansaugtrakt18 stromab des Ladeluftkühlers24 zurückgeführt werden kann. Die Abgasrückführeinrichtung25 enthält eine Abgasrückführleitung26 , ein in der Abgasrückführleitung26 vorgesehenes Ventil und einen Abgaskühler. Die Abgasrückführleitung26 ist stromauf des Einlasstraktes23 der Brennkraftmaschine10 und stromab des Ladeluftkühlers24 in die Ladeluftleitung19 einmündend angeordnet. - Ferner ist für die Brennkraftmaschine
10 eine Steuereinheit27 vorgesehen, welche in Abhängigkeit von verschiedenen Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine10 den Betrieb des Abgasturboladers12 , des Ladeluftkühlers24 , der Abgasrückführeinrichtung25 und dergleichen steuert. - Der Verdichter
20 weist ein in einem Gehäuse28 angeordnetes Verdichterrad30 auf, das Luft über einen Strömungskanal32 des Gehäuses28 ansaugt, wie durch den Pfeil in2 angedeutet, und über einen Spiralkanal34 des Gehäuses28 und einen sich an den Spiralkanal34 anschließenden Austrittskanal35 des Gehäuses28 in den Ansaugtrakt18 der Brennkraftmaschine10 ausgibt. Außerdem sind in an sich bekannter Weise ein Luftsammelraum36 parallel zum Strömungskanal32 zum radialen Zuführen von Verbrennungsluft in den Strömungskanal32 des Gehäuses28 sowie ein oder mehrere Leitgitter zum Einstellen der Strömungsverhältnisse im Verdichter vorgesehen. Da der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Verdichters20 bereits hinlänglich bekannt sind und die vorliegende Erfindung außerdem nicht auf einen speziellen Verdichter beschränkt ist, wird hier auf eine detailliertere Erläuterung des Verdichters20 verzichtet. - In dem Ausführungsbeispiel gem.
2 ist zur Messung eines der Brennkraftmaschine10 zuführbaren Luftmassenstromes eine Messvorrichtung38 in Form einer Staudrucksonde stromab des Verdichterrades30 ist in den Verdichter20 integriert, wobei die Staudrucksonde38 in radialer Richtung in den Austrittskanal35 des Gehäuses28 hineinragt. - Der Aufbau und die Funktionsweise von Staudrucksonden sind dem Fachmann bekannt, weshalb auf eine ausführliche Erläuterung diesbezüglich verzichtet wird. Es wird in diesem Zusammenhang lediglich beispielhaft auf die beiden Patentdokumente
DE 195 09 208 A undDE 196 23 586 A verwiesen. - In dem in
2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Staudrucksonde38 einen ersten Wirkdruckkanal40a , der dem Luftstrom im Austrittskanal35 zugewandt ist, und einen zweiten Wirkdruckkanal40b , der dem Luftstrom im Austrittskanal35 abgewandt ist, auf. Der erste Wirkdruckkanal40a ist über wenigstens eine erste Wirkdrucköffnung42a dem Luftstrom im Austrittskanal35 zugewandt geöffnet, sodass der Totaldruck (d. h. statischer Druck + dynamischer Druck) des Luftstroms im Austrittskanal35 auf den ersten Wirkdruckkanal40a wirkt und auf diese Weise der Totaldruck des Luftstroms gemessen werden kann. In ähnlicher Weise ist der zweite Wirkdruckkanal40b über wenigstens eine zweite Wirkdrucköffnung42b dem Luftstrom im Austrittskanal35 wenigstens teilweise abgewandt geöffnet, sodass der nur der statische Druck des Luftstroms im Austrittskanal35 auf den zweiten Wirkdruckkanal40b wirkt und auf diese Weise der statische Druck des Luftstroms erfasst werden kann. Die ersten und die zweiten Wirkdrucköffnungen42a ,42b sind vorzugsweise jeweils gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt des Austrittskanals35 verteilt. - Der über den ersten Wirkdruckkanal
40a gemessene Totaldruck und der über den zweiten Wirkdruckkanal40b gemessene statische Druck des Luftstroms im Austrittskanal35 werden von der Staudrucksonde38 der Steuereinheit27 zugeführt, die daraus einen Differenzdruck bestimmt, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit im Austrittskanal35 ist und daher (z. B. über die Luftdichte) ein Maß für die von dem Verdichter20 des Abgasturboladers12 und damit von der Brennkraftmaschine10 angesaugte Luftmasse ist. - Die hier verwendete Staudrucksonde
38 hat gegenüber den herkömmlichen Heißfilm-Luftmassenmessern bei gleicher Messgenauigkeit eine viel höhere Lebensdauer. Der Abgasturbolader12 mit integrierter Staudrucksonde38 stellt damit ein einfaches, kostengünstiges und zuverlässiges Messsystem für die von der Brennkraftmaschine10 angesaugte Luftmasse bereit und kann in vorteilhafter Weise insbesondere auch bei Nutzfahrzeugen eingesetzt werden. - In dem in
1 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine10 ist die Staudrucksonde38 zwischen der Einmündung der Abgasrückführleitung26 in die Ladeluftleitung19 und dem Ladeluftkühler24 in der Ladeluftleitung19 angeordnet. Idealerweise ist die Staudrucksonde38 nahe dem Einlasstrakt23 der Brennkraftmaschine10 positioniert. Der Aufbau eines Einlasstraktes23 der Brennkraftmaschine ist dem Fachmann bekannt, wobei der Einlasstrakt23 in seiner einfachsten Ausführung mit Zylindern der Brennkraftmaschine10 verbundene Einströmkanäle aufweist. Idealerweise ist dem Einlasstrakt23 ein Luftsammelbehälter zur Strömungsberuhigung zugeordnet. Je näher die Staudrucksonde38 am Einlasstrakt23 positioniert ist, desto geringer sind die Druck- und Temperaturverluste der Luftmasse von der Messposition bis zum tatsächlichen Eintritt in die Zylinder, wodurch sich ein Applikationsaufwand zur Ermittlung der genauen bzw. tatsächlichen Luftmasse verringert. - In einer Modifikation weist die Staudrucksonde
38 nur den ersten Wirkdruckkanal40a mit den ersten Wirkdrucköffnungen42a zur Erfassung des Totaldrucks in der Ladeluftleitung19 auf. Zur Erfassung des statischen Drucks in der Ladeluftleitung19 ist statt des zweiten Wirkdruckkanals40b der Staudrucksonde38 eine nicht näher dargestellte Messöffnung an einer Wandung des Ladeluftleitung19 vorgesehen, deren Messöffnung zum Beispiel etwa parallel zur Luftströmungsrichtung verläuft. - Auch in diesem Fall kann die Steuereinheit
27 aus dem von der Staudrucksonde38 erfassten Totaldruck in der Ladeluftleitung19 und dem von der Messbohrung erfassten statischen Druck in der Ladeluftleitung19 einen Differenzdruck und daraus schließlich eine von der Brennkraftmaschine10 angesaugte Luftmasse bestimmen. - Bezug nehmend auf
3 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Zur Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine10 ist ein weiterer Abgasturbolader40 vorgesehen, wobei ein weiterer Verdichter42 des weiteren Abgasturboladers40 stromab des Verdichters20 im Ansaugtrakt18 positioniert ist. Eine weitere Turbine44 des weiteren Abgasturboladers40 ist stromauf der Turbine16 im Abgasstrang14 angeordnet. Zur Zwischenkühlung der von dem weiteren Verdichter42 verdichteten Luftmasse ist zwischen dem weiteren Verdichter42 und dem Verdichter20 ein weiterer Ladeluftkühler46 im Ansaugtrakt positioniert. Die Abgasrückführleitung26 ist stromauf der weiteren Turbine vom Abgasstrang14 abzweigend und stromab des weiteren Ladeluftkühlers46 in die Ladeluftleitung19 einmündend ausgebildet. - Zur schnellen und korrekten Erfassung der Luftmasse ist die Staudrucksonde
38 stromab des weiteren Ladeluftkühlers46 und stromauf der Einmündung der Abgasrückführleitung26 möglichst nahe dem Einlasstrakt23 im Ansaugtrakt18 integriert. Weitere geeignete Positionen der Staudrucksonde38 könnten auch zwischen dem Verdichter20 und dem Ladeluftkühler24 sein und/oder zwischen dem Ladeluftkühler24 und dem weiteren Verdichter42 und/oder zwischen dem weiteren Verdichter42 und dem weiteren Ladeluftkühler46 . - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006009295 A1 [0004]
- - DE 19912317 C2 [0005]
- - DE 102005044266 A1 [0006]
- - DE 19509208 A [0029]
- - DE 19623586 A [0029]
Claims (7)
- Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einem Ansaugtrakt und einem Abgasstrang, wobei ein Verdichter zum Ansaugen und Verdichten von Frischluft im Ansaugtrakt positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromab eines Verdichterrades (
30 ) des Verdichters (20 ) und stromauf eines Einlasstraktes des Brennkraftmaschine, in einer Ladeluftleitung des Ansaugtraktes eine Staudrucksonde (38 ) vorgesehen ist, die zum Erfassen wenigstens des Totaldrucks in der Ladeluftleitung ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucksonde (
38 ) in einem Gehäuse (28 ) des Verdichters (20 ) angeordnet ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucksonde stromab eines stromab des Verdichters in der Ladeluftleitung positionierten Ladeluftkühlers angeordnet ist.
- Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucksonde stromauf einer in die Ladeluftleitung einmündenden Abgasrückführleitung positioniert ist.
- Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucksonde in einem Bereich nahe dem Einlasstraktes positioniert ist.
- Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucksonde (
38 ) zum Erfassen des Totaldrucks und des statischen Drucks im Strömungskanal (32 ) ausgebildet ist, und dass eine Steuereinheit (27 ) aus dem erfassten Totaldruck und dem erfassten statischen Druck den Differenzdruck im Strömungskanal des Verdichters und daraus die von der Brennkraftmaschine (10 ) angesaugte Luftmasse bestimmt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucksonde (
38 ) zum Erfassen des Totaldrucks in der Ladeluftleitung ausgebildet ist; dass ferner eine Messöffnung an einer Wandung der Ladeluftleitung zum Erfassen des statischen Drucks in der Ladeluftleitung vorgesehen ist; und dass eine Steuereinheit (27 ) aus dem erfassten Totaldruck und dem erfassten statischen Druck den Differenzdruck in der Ladeluftleitung und daraus die von der Brennkraftmaschine (10 ) angesaugte Luftmasse bestimmt.
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